厚煤層放頂煤高效開(kāi)采工藝參數(shù)的研究

呂 謙

（同煤集團(tuán)臨汾宏大礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 041000）

我國(guó)的地下煤層儲(chǔ)量豐富，且以厚煤層的形式存在的煤層約占半數(shù)，煤層厚度達(dá)到3.5 m 以上。我國(guó)對(duì)厚煤層的開(kāi)采方法主要包括爆破法、水力法及機(jī)械法三種，隨著技術(shù)的進(jìn)步，綜合機(jī)械化開(kāi)采成為煤炭開(kāi)采的主要方式。主要的采煤工藝包括分層開(kāi)采、一次采全厚及放頂煤開(kāi)采三種[1]。隨著采煤裝備制造業(yè)的發(fā)展，針對(duì)煤層不同的賦存條件，綜放開(kāi)采可配套不同開(kāi)采工藝。厚煤層的分層開(kāi)采中，綜合機(jī)械化開(kāi)采在巷道的掘進(jìn)效率、支護(hù)的難度及開(kāi)采成本上皆難以保證開(kāi)采效率的有效提高[2]，針對(duì)這一問(wèn)題，決定采用放頂煤開(kāi)采工藝，本文基于某煤礦厚煤層開(kāi)采的實(shí)際條件，對(duì)厚煤層的高效開(kāi)采進(jìn)行工藝參數(shù)的研究，合理選擇工藝參數(shù)，從而提高厚煤層的開(kāi)采效率，實(shí)現(xiàn)放頂煤的高效開(kāi)采。

1 厚煤層頂煤冒放性的工藝參數(shù)設(shè)定

依據(jù)某煤礦厚煤層的賦存條件，對(duì)厚煤層進(jìn)行放頂煤開(kāi)采，綜采煤層平均厚度為10.5 m，煤層傾角為7°～12°。頂煤的冒放性對(duì)開(kāi)采的效率具有重要的影響。頂煤的冒放性主要取決于自然及人為因素，即頂煤冒放性與煤層及頂板自身的性質(zhì)所具有的破壞性、回采工藝參數(shù)的選擇及設(shè)備的選用有關(guān)[3]。

預(yù)裂爆破是對(duì)頂煤進(jìn)行預(yù)裂的主要方式，可采用專用的巷道及打眼進(jìn)行爆破，對(duì)于厚煤層也可采用在工作的順槽及切眼內(nèi)進(jìn)行預(yù)裂爆破，以減少爆破的準(zhǔn)備工作，提高開(kāi)采效率。爆破孔徑越大，煤層的預(yù)裂效果越好[4]，在進(jìn)行井下作業(yè)過(guò)程中，考慮到受客觀條件的影響，最終確定采用爆破孔的孔徑為75 mm，控制孔孔徑為90 mm。依據(jù)爆破孔及控制孔的直徑，確定孔間距為8 m，依據(jù)此參數(shù)進(jìn)行煤層預(yù)裂的效果較好。封孔深度是進(jìn)行預(yù)裂爆破的重要參數(shù)，可保證巷道兩側(cè)的煤層不受破壞，同時(shí)要達(dá)到理想的預(yù)裂效果，依據(jù)厚煤層開(kāi)采的施工經(jīng)驗(yàn)[5]，確定炮孔深度為65 m，封孔的長(zhǎng)度為15 m。

2 厚煤層放頂煤回采效率工藝參數(shù)的設(shè)定

2.1 采放比的確定

采煤機(jī)進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中，采煤機(jī)的破煤量及頂煤的放出量是煤炭的總采出量。采煤機(jī)的采高增加，則放煤的高度減小，有利于提高頂煤的回收率[6]及采煤機(jī)的作業(yè)效率，但采高的增加也會(huì)使礦山的壓力增加，對(duì)支護(hù)系統(tǒng)的要求較高。破煤高度與放頂煤高度的比值即為采放比，進(jìn)行放頂煤開(kāi)采時(shí)其值需小于1∶3[7]。

我國(guó)進(jìn)行綜放開(kāi)采的采高一般為2.5～3.6 m，依據(jù)煤層的賦存條件及現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備條件，確定工作面的采高為3 m，放煤高度為7.5 m，采放比為1∶2.5，均滿足放頂煤開(kāi)采的安全規(guī)程。

2.2 放煤步距的確定

放頂煤開(kāi)采中兩次放煤之間工作面推進(jìn)的距離即為放煤步距，放煤步距與采煤機(jī)的截割相配合，依據(jù)采煤機(jī)滾筒截割深度的倍數(shù)來(lái)確定放煤步距[8]。常見(jiàn)的放煤方式主要有采一放一、采二放一及采三放一，先將放煤步距分別設(shè)定為0.8 m、1.6 m、2.4 m，再對(duì)三種不同的放煤步距，采用PFC 仿真模擬的形式對(duì)其頂煤的移動(dòng)進(jìn)行分析。

采用PFC 軟件相應(yīng)建立不同采煤步距的模型，對(duì)放煤過(guò)程進(jìn)行模擬，統(tǒng)計(jì)頂煤的回收率的大小[9]。采用采一放一工藝時(shí)，放煤步距為0.8 m，采煤高度為3 m，放煤高度為7.5 m，經(jīng)過(guò)16 個(gè)循環(huán)的放頂煤效果如下頁(yè)圖1 所示，此時(shí)的回收率為85.6%。

圖1 采一放一時(shí)割煤16 個(gè)循環(huán)的放頂煤效果

采用采二放一工藝時(shí)，放煤步距為1.6 m，采煤高度為3 m，放煤高度為7.5 m，經(jīng)過(guò)16 個(gè)循環(huán)的放頂煤效果如圖2 所示，此時(shí)的回收率為81.9%。

圖2 采二放一時(shí)割煤16 個(gè)循環(huán)的放頂煤效果

采用采三放一工藝時(shí)，放煤步距為2.4 m，采煤高度為3 m，放煤高度為7.5 m，經(jīng)過(guò)16 個(gè)循環(huán)的放頂煤效果如圖3 所示，此時(shí)的回收率為78%。

圖3 采三放一時(shí)割煤16 個(gè)循環(huán)的放頂煤效果

對(duì)不同放煤步距下放頂煤的效果進(jìn)行模擬[10]，并對(duì)回收率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)表明，對(duì)厚煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，確定放煤步距為0.8 m，采用采一放一的方式進(jìn)行開(kāi)采，此時(shí)頂煤的回收率最高，為85.6%。

2.3 放煤方式的確定

厚煤層進(jìn)行放頂煤回采的循環(huán)過(guò)程中，將放煤口打開(kāi)的次數(shù)、順序及放煤量的不同綜合起來(lái)稱之為放煤方式。依據(jù)放煤口打開(kāi)的順序可分為順序放煤及間隔放煤，依據(jù)放煤的次數(shù)可分為單次放煤、雙次放煤及多次放煤[11]，兩者相互組合起來(lái)后，放頂煤開(kāi)采的放煤方式可分為單次間隔放煤、單次順序放煤及多次順序放煤。

用PFC 軟件相應(yīng)建立不同放煤方式的模型[12]，對(duì)放煤過(guò)程進(jìn)行模擬，統(tǒng)計(jì)頂煤的放出率的大小。采用單次間隔放煤方式時(shí)，放煤步距為0.8 m，采煤高度為3 m，放煤高度為7.5 m，此時(shí)放頂煤效果如圖4所示，放出率為83.2%。對(duì)單次順序放煤及多次順序放煤依次進(jìn)行建模模擬，得到單次順序放煤時(shí)的放出率為78.1%，多次順序放煤時(shí)的放出率為85.3%。

圖4 單次間隔放煤時(shí)放頂煤效果

對(duì)不同放煤方式下放頂煤的效果進(jìn)行模擬，并對(duì)放出率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)表明，對(duì)厚煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，確定采用多次順序放煤方式進(jìn)行放煤時(shí)，頂煤的放出率最高，為85.3%。

2.4 采煤機(jī)參數(shù)的確定

進(jìn)行厚煤層開(kāi)采的割煤高度為3 m，依據(jù)工作面及采放比的要求，選擇采煤機(jī)的滾筒直徑為1.8～2.4 m，采煤機(jī)的截割功率為：

式中：N為采煤機(jī)的截割功率；B為采煤機(jī)截割深度，取0.8 m；H為采煤機(jī)的最大割煤高度，取3.6 m；vmax為采煤機(jī)的最大割煤速度，取8 m/min；HW為采煤機(jī)破煤的能耗系數(shù)，取2.6～3.1。

由此對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行選型，確定采煤機(jī)的直徑為2 m，功率為1 200 kW，對(duì)煤層進(jìn)行采煤作業(yè)，割煤高度為3 m，截割深度為0.8 m。

3 結(jié)論

1）針對(duì)厚煤層放頂煤開(kāi)采過(guò)程中的工藝參數(shù)，依據(jù)煤礦的地質(zhì)條件以開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)及模擬仿真的形式確定相應(yīng)的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)厚煤層的高效開(kāi)采。首先確定相應(yīng)的預(yù)裂參數(shù)來(lái)提高煤層的冒放性，預(yù)裂參數(shù)主要包括爆破孔孔徑、控制孔孔徑、孔間距、炮孔深度及封孔長(zhǎng)度等。

2）依據(jù)煤層的厚度，設(shè)定工作面的采高為3 m，放煤高度為7.5 m，采放比為1∶2.5，滿足放頂煤開(kāi)采的安全要求。

3）對(duì)三種不同采煤步距進(jìn)行模擬分析，確定放煤步距為0.8 m，采用采一放一的方式進(jìn)行開(kāi)采，頂煤的回收率為85.6%。

4）對(duì)放煤方式進(jìn)行模擬分析，確定多次順序放煤方式進(jìn)行放煤，頂煤的放出率為85.3%。

5）針對(duì)采煤機(jī)設(shè)備進(jìn)行選型，確定采煤機(jī)的直徑為2 m，功率為1 200 kW。確定相應(yīng)的工藝參數(shù)對(duì)厚煤層進(jìn)行放頂煤的開(kāi)采，可提高煤礦開(kāi)采的效率。